Газовый котел или тепловой насос?

В. Ф. Гершкович, канд. техн. наук, лауреат премии НП «АВОК», ЧП «Энергоминимум», Киев

Если рассматривать наружный воздух как единственный источник тепла, то использование воздушного теплового насоса для отопления в климатических условиях, например Украины, неэффективно: во время сильных морозов тепловые насосы «воздух-вода» работают с низкими коэффициентами преобразования. В то же время в течение большей части года температура наружного воздуха вполне пригодна для использования теплового насоса в системах теплоснабжения. В [1] приведен график (рис. 1) подтверждающий, что при положительных температурах наружного воздуха коэффициент преобразования воздушного теплового насоса в большинстве случаев больше 3, а это свидетельствует о возможности его эффективной работы.

Рисунок 1. Зависимость коэффициента преобразования одной из моделей теплового насоса «воздух-вода» от температуры воды на выходе из конденсатора t2K и от температуры наружного воздуха

Техническая возможность частичного замещения установок, работающих на природном газе, воздушными тепловыми насосами еще не означает экономической целесообразности такого решения. Пока цена на природный газ была приемлемой, никому в голову не приходила мысль об установке дорогого теплового насоса вместо дешевого газового котла. Однако газ постоянно дорожает: на Украине за пять лет цена выросла в пять раз, и эта тенденция сохраняется. Рано или поздно наступит время, когда стоимость теплового насоса уже не покажется столь высокой по сравнению с ежегодными затратами на покупку природного газа.

Чтобы подкрепить эти абстрактные соображения конкретными цифрами, была выполнена технико-экономическая оценка целесообразности частичного замещения природного газа тепловым насосом на примере теплоснабжения современной теплицы, где круглый год по самым последним технологиям выращивают помидоры.

Существующая схема теплоснабжения теплицы (рис. 2) состоит из газового котла с экономайзером и четырех независимых друг от друга отопительных контуров. Красным цветом на схеме показано, как в нее можно встроить тепловой насос «воздух-вода».

Рисунок 2. Схема теплоснабжения теплицы 1 – контур теплицы; 2 – отопительные контуры различных зон теплицы; 3 – газовый котел; 4 – экономайзер; 5 – насос контура котла; 6 – насосы отопительных контуров; 7 – регулирующие клапаны; 8 – гидравлическая стрелка; 9 – дымовая труба; 10 – тепловой насос «воздух-вода»

Существующая система отопления рассчитана на температуру теплоносителя 90 °С при расчетной температуре наружного воздуха –22 °С. Тепловой насос во время морозов работать не будет, а в период относительно теплой погоды температура 40–50 °С в подающем трубопроводе системы отопления будет вполне достаточна для поддержания необходимой внутренней температуры без изменения отопительной системы. Как видим, технически несложно привязать тепловой насос «воздух-вода» к котельной тепличного хозяйства.

 Рассмотрим теперь экономические параметры такого рода модернизации.

По данным, полученным от эксплуатационной службы теплицы, в котельной было сожжено 7 700 м³ природного газа за самые холодные январские сутки, что соответствует средней тепловой мощности котлов 2 700 кВт. Годовая выработка тепла в этой котельной составляет 4 680 Гкал при потреблении 650 тыс. м³ газа в год.

Для частичного замещения природного газа был выбран тепловой насос «воздух-вода», тепловая мощность которого при температуре наружного воздуха 0 °С составляет 1 400 кВт (примерно 52 % от мощности котла).

В [2] представлена зависимость выработки тепловой энергии котлом от коэффициента расчетной тепловой мощности теплового насоса, построенная   для климатических условий большей части Украины (рис. 3). На рисунке показано (пунктирными линиями), что при коэффициенте расчетной тепловой мощности теплового насоса 0,52 в котле будет выработано 55 % тепловой энергии за год и тепловой насос такой мощности будет работоспособен при температуре наружного воздуха – 0,6 °С и выше.

Рисунок 3. Расчет коэффициента выработки тепла газовым котлом за год

Данные технико-экономического сопоставления вариантов теплоснабжения теплицы сведены в таблицу. Срок окупаемости инвестиций, равный 12 годам, слишком велик для того, чтобы владелец теплицы решился уже сейчас потратить деньги на устройство теплового насоса, даже понимая, что цены на газ будут и дальше стремительно расти и уже через четыре года сроки окупаемости этой же установки сократятся вдвое.

Если бы владельцы предприятий с газовыми котельными имели какие-либо гарантированные государством стимулы к развитию энергосберегающей техники, то не стали бы ждать дальнейшего увеличения цены на газ, а уже сейчас начали бы вкладывать средства в устройства, сокращающие расходы газа. Среди таких устройств тепловые насосы «воздух-вода» при котельных, возможно, стали бы самыми популярными, потому что потенциал уменьшения потребления природного газа на Украине от их применения оценивается примерно в 15 млрд м³ в год.

Литература

1. Особенности проектирования систем теплоснабжения зданий с тепловыми насосами. Киев, 2009.

2. Оптимальная мощность отопительного геотермального теплового насоса // Энергосбережение в зданиях. 2010. № 2 (51).